Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Anwendung illustrativer Methoden auf zwei bisher ungelöste Probleme der Strömungsvisualisierung. Das Ziel der Strömungsvisualisierung ist die Bereitstellung von Software, die Experten beim Auswerten ihrer Strömungsdaten und damit beim Erkenntnisgewinn unterstützt. Bei der illustrativen Visualisierung handelt es sich um einen Zweig der Visualisierung, der sich an der künstlerischen Arbeit von Illustratoren orientiert. Letztere sind darauf spezialisiert komplizierte Zusammenhänge verständlich und ansprechend zu vermitteln. Die angewendeten Techniken werden in der illustrativen Visualisierung auf reale Daten übertragen, um die Effektivität der Darstellung zu erhöhen. Das erste Problem, das im Rahmen dieser Dissertation bearbeitet wurde, ist die eingeschränkte Verständlichkeit von komplexen Stromflächen. Selbstverdeckungen oder Aufrollungen behindern die Form- und Strömungswahrnehmung und machen diese Flächen gerade in interessanten Strömungssituationen wenig nützlich. Auf Basis von handgezeichneten Strömungsdarstellungen haben wir ein Flächenrendering entwickelt, das Silhouetten, nicht-photorealistische Beleuchtung und illustrative Stromlinien verwendet. Interaktive Flächenschnitte erlauben die Exploration der Flächen und der Strömungen, die sie repräsentieren. Angewendet auf verschiedene Stromflächen ließ sich zeigen, dass die Methoden die Verständlichkeit erhöhen, v.a. in Bereichen komplexer Strömung mit Aufwicklungen oder Singularitäten. Das zweite Problem ist die Strömungsanalyse des Blutes aus 4D PC-MRI-Daten. An diese relativ neue Datenmodalität werden hohe Erwartungen für die Erforschung und Behandlung kardiovaskulärer Krankheiten geknüpft, da sie erstmals ein dreidimensionales, zeitlich aufgelöstes Abbild der Hämodynamik liefert. Bisher werden 4D PC-MRI-Daten meist mit Werkzeugen der klassischen Strömungsvisualisierung verarbeitet. Diese werden den besonderen Ansprüchen der medizinischen Anwender jedoch nicht gerecht, die in kurzer Zeit eine übersichtliche Darstellung der relevanten Strömungsaspekte erhalten möchten. Wir haben ein Werkzeug zur visuellen Analyse der Blutströmung entwickelt, welches eine einfache Detektion von markanten Strömungsmustern erlaubt, wie z.B. Jets, Wirbel oder Bereiche mit hoher Blutverweildauer. Die Grundidee ist hierbei aus vorberechneten Integrallinien mit Hilfe speziell definierter Linienprädikate die relevanten, d.h. am gefragten Strömungsmuster, beteiligten Linien ausgewählt werden. Um eine intuitive Darstellung der Resultate zu erreichen, haben wir uns von Blutflußillustrationen inspirieren lassen und präsentieren eine abstrakte Linienbündel- und Wirbeldarstellung. Die Linienprädikatmethode sowie die abstrakte Darstellung der Strömungsmuster wurden an 4D PC-MRI-Daten von gesunden und pathologischen Aorten- und Herzdaten erfolgreich getestet. Auch die Evaluierung durch Experten zeigt die Nützlichkeit der Methode und ihr Potential für den Einsatz in der Forschung und der Klinik. / This thesis’ central theme is the use of illustrative methods to solve flow visualization problems. The goal of flow visualization is to provide users with software tools supporting them analyzing and extracting knowledge from their fluid dynamics data. This fluid dynamics data is produced in large amounts by simulations or measurements to answer diverse questions in application fields like engineering or medicine. This thesis deals with two unsolved problems in flow visualization and tackles them with methods of illustrative visualization. The latter is a subbranch of visualization whose methods are inspired by the art work of professional illustrators. They are specialized in the comprehensible and esthetic representation of complex knowledge. With illustrative visualization, their techniques are applied to real data to enhance their representation. The first problem dealt with in this thesis is the limited shape and flow perception of complex stream surfaces. Self-occlusion and wrap-ups hinder their effective use in the most interesting flow situations. On the basis of hand-drawn flow illustrations, a surface rendering method was designed that uses silhouettes, non-photorealistic shading, and illustrative surface stream lines. Additionally, geometrical and flow-based surface cuts allow the user an interactive exploration of the surface and the flow it represents. By applying this illustrative technique to various stream surfaces and collecting expert feedback, we could show that the comprehensibility of the stream surfaces was enhanced – especially in complex areas with surface wrap-ups and singularities. The second problem tackled in this thesis is the analysis of blood flow from 4D PC-MRI data. From this rather young data modality, medical experts expect many advances in the research of cardiovascular diseases because it delivers a three-dimensional and time-resolved image of the hemodynamics. However, 4D PC-MRI data are mainly processed with standard flow visualizaton tools, which do not fulfill the requirements of medical users. They need a quick and easy-to-understand display of the relevant blood flow aspects. We developed a tool for the visual analysis of blood flow that allows a fast detection of distinctive flow patterns, such as high-velocity jets, vortices, or areas with high residence times. The basic idea is to precalculate integral lines and use specifically designed line predicates to select and display only lines involved in the pattern of interest. Traditional blood flow illustrations inspired us to an abstract and comprehensible depiction of the resulting line bundles and vortices. The line predicate method and the illustrative flow pattern representation were successfully tested with 4D PC-MRI data of healthy and pathological aortae and hearts. Also, the feedback of several medical experts confirmed the usefulness of our methods and their capabilities for a future application in the clinical research and routine.

Différents éléments vasculo-nerveux participent à la constitution de l'angle ponto-cérébelleux. Dans certaines conditions pathologiques dont la genèse est encore imparfaitement connue actuellement, des conflits peuvent apparaître entre des vaisseaux battants autour du tronc cérébral et des nerfs crâniens. L'objectif de ce travail en trois parties distinctes est consacré à certaines bases anatomiques et physiologiques permettant de mieux appréhender ces conflits vasculo-nerveux. La première partie s'intéresse à la morphogenèse du système vertébrobasilaire. La conception d'un logiciel original de reconstruction tridimensionnelle a permis la modélisation de quatre embryons à partir de coupes histologiques. Les images obtenues permettent de confirmer la morphogenèse décrite dans la littérature et jette les bases d'une étude plus exhaustive. La deuxième partie démontre pour la première fois la mobilité physiologique du nerf vestibulo-cochléaire au niveau de l'angle ponto-cérébelleux, par l'utilisation d'une séquence IRM en contraste de phase. Les directions crânio-caudale et antéro-postérieure et leur amplitude ont été étudiées. Ces mouvements sont dépendants de l'onde de pouls. De façon plus générale, ils peuvent être modélisés sous la forme d'une corde oscillant entre le tronc cérébral et le fond du méat acoustique interne. La troisième partie traite d'une étude de faisabilité qui jette les bases informatiques permettant d'apprécier le vieillissement artériel par la variabilité morphologique du point de confluence des artères vertébrales. Au laboratoire, nous avons conçu un programme de normalisation à partir des scanographies de neuf patients. Il autorise ainsi la création d'un tronc cérébral moyen, et la comparaison de la topographie de ces points de confluence. / Several vascular and nervous structures are located within the cerebello-pontine angle. In certain pathological conditions, microvascular compression syndroms may occur, where an artery or a vein is compressing a cranial nerve. The purpose of this work in three parts is to investigate some anatomical and physiological bases of these microvascular compression syndroms. The first part focuses on the vertebrobasilar system morphogenesis. A special designed 3D reconstruction original software allowed us to reformate four human embryos from histological serial sections. The three-dimensional views are confirming the classical features thus creating the basis of a larger study based on multiple embryos. The second part shows for the first time the physiological motion of the vestibulo-cochlear nerve at the level of the cerebello-pontine angle, with the help of a phase-contrast MRI sequence. The cranio-caudal and antero-posterior directions and their amplitudes have been studied. These motions are cardiac-cycle-dependant. We used an "oscillating string" model to explain the VCN motion between the brain stem and the fundus of the internal acoustic meatus. The third part of this work is focused on a preliminary study of the variability of the vertebro-basilar arterial fusion along the lifetime. An original software has been designed and allowing the normalisation from nine post-contrast cerebral CT scanners. A ?mean? brain stem was obtained and visualized in front of nine arterial fusion points.

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